MODEL ELEKTROWNI OKRĘTOWEJ STATKU „HORYZONT II”
W PROGRAMIE PSCAD
W artykule przedstawiono model okrętowej sieci elektroenergetycznej wykonanej w programie PSCAD X4. Obiektem, który zasymulowano, jest statek szkolno-badawczy „Horyzont II”. Zamodelo-wano prądnice synchroniczne wraz z regulatorami napięcia oraz napędzającymi je silnikami diesla. Przedstawiono przebiegi chwilowe napięć i prądów podczas załączenia i wyłączenia odbiornika o liniowej i nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej.
WSTĘP
Zmiany w elektrotechnice na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat, objawiające się wprowadzeniem szeregu nowych rozwiązań technicznych dotyczących proce-sów wytwarzania i użytkowania energii elektrycznej, spowodowały konieczność nowego spojrzenia na zagadnienie jakości energii elektrycznej w systemach elek-troenergetycznych. Na uwagę zasługuje stale rosnąca liczba i moc odbiorników energii elektrycznej zainstalowanych w systemie, często o nieliniowych charakte-rystykach, co wywołuje coraz większe odchylenia parametrów charakteryzujących energetyczne sieci zasilające od parametrów znamionowych. Zmienia się nie tylko kształt czasowych przebiegów napięcia i prądu w rozważanych systemach, ale również pojawiają się znaczące różnice między rzeczywistymi i znamionowymi wartościami napięcia i częstotliwości. Ma to różnorodne negatywne skutki związa-ne z poprawnym funkcjonowaniem odbiorników ezwiąza-nergii elektryczzwiąza-nej, powodujące m.in. dodatkowe straty energii. Problemy te dotyczą każdego systemu elektroener-getycznego, a w szczególności elektroenergetycznej sieci okrętowej. Statek jest miejscem o dużej koncentracji odbiorników, spełniających wielorakie funkcje, pracujących często w warunkach ekstremalnych narażeń klimatycznych i mecha-nicznych. Znaczna część tych obiektów, w tym niemal wszystkie związane ze ste-rowaniem i kontrolą systemów okrętowych, to urządzenia elektryczne i elektro-niczne o nieliniowych charakterystykach.
W elektroenergetyce lądowej oraz okrętowej często zachodzi konieczność przebudowy lub zmiana konfiguracji systemu elektroenergetycznego. Wymiana, załączenie lub wyłączenie w dowolnej chwili urządzenia elektrycznego niosą za sobą niepewność poprawnej pracy części systemu elektroenergetycznego. Z tego
powodu przeprowadza się szereg symulacji pozwalających na wcześniejsze wykry-cie i zapobieganie niepożądanym zjawiskom i skutkom wywołanym przez wyżej wspomniane czynności, mającym wpływ na życie i zdrowie załogi oraz bezpie-czeństwo przewożonego ładunku.
Istnieje wiele programów pozwalających na przeprowadzenie symulacji zja-wisk występujących w systemach elektroenergetycznych. Na szczególną uwagę zasługuje program PSCAD (ang. Power Systems Computer Aided Design), pocho-dzący z rodziny EMTDC (ang. Elektromagnetic Transient including DC) [7]. PSCAD służy do modelowania i symulacji różnego rodzaju systemów elektroener-getycznych takich jak: elektrownie wiatrowe, lądowe i okrętowe systemy elektro-energetyczne. Najczęściej jest on wykorzystywany do symulacji wybranych wiel-kości w systemach elektroenergetycznych w stanach przejściowych. PSCAD umożliwia także modelowanie układów pomiarowych, kontrolnych i sterujących [7]. W pracy [3] przedstawiono wykorzystanie programu PSCAD do symulacji elektroenergetycznego systemu okrętowego w różnych stanach eksploatacyjnych.
1. OKRĘTOWY SYSTEM ELEKTROENERGETYCZNY STATKU M/V „HORYZONT II”
„Horyzont II” jest statkiem szkolno-badawczym składającym się z trzech jed-nakowych zespołów prądotwórczych. W skład zespołu prądotwórczego wchodzą: prądnica synchroniczna o mocy znamionowej 301 kW (376 kVA), napędzana za pomocą czterosuwowego silnika diesla o mocy znamionowej 357 kW. W zależno-ści od zapotrzebowania na moc pobieraną przez odbiorniki możliwa jest praca po-jedynczego, dwóch lub trzech współpracujących ze sobą agregatów prądotwór-czych, załączonych na szyny głównej rozdzielnicy. Wszystkie odbiorniki zainstalowane na statku zasilane są z rozdzielnicy głównej (rys. 1). Wśród odbior-ników większych mocy zainstalowanych na statku można wyróżnić: ster strumie-niowy o mocy znamionowej 125 kW, silnik indukcyjny dźwigu pokładowego 55 kW oraz silnik indukcyjny do napędu sprężarki klimatyzacji 28 kW. Pozostałe odbiorniki mają mniejszą moc i nie wywierają większego wpływu na zmiany pa-rametrów jakości energii elektrycznej sieci (napięcie, częstotliwość).
Elektroenergetyczna sieć okrętowa jest siecią miękką. Charakteryzuje się du-żymi zmianami napięcia i częstotliwości, wynikającymi z porównywalnych mocy elektrowni okrętowej i załączanych dużych odbiorników energii. Bardzo ważnym zagadnieniem dla okrętowego systemu elektroenergetycznego jest ciągłość zasila-nia odbiorników podczas manewrów. Statek musi posiadać pełną manewrowość, a więc i pewność zasilania odbiorników, od których zależy bezpieczeństwo załogi i przewożonego ładunku. Napięcie znamionowe systemu elektroenergetycznego statku jest równe 400 V, zaś częstotliwość znamionowa wynosi 50 Hz.
~
SD 3 GR 3 G3~
SD 1 GR 1 G1~
SD 2 GR 3 G2 M 1 M Odb 1 Odb n 1 .. n 301 kW 367 kVA 301 kW 367 kVA 301 kW 367 kVA 125 kW Szyny główne 357 kW 357 kW 357 kW~
~
BR 1 BR 2 BR 3Rys. 1. System elektroenergetyczny statku m/v „Horyzont II” (G1 – prądnica synchroniczna,
SD1 – silnik diesla, GR – przekładnia, M1 – ster strumieniowy, BR – wyłącznik) Fig. 1. Electric power system of the m/v „Horyzont II” (G1 – synchronous generators,
SD1 – diesel engine, GR – gear, M1 – motor of bow thruster, BR – breaker)
2. MODEL SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO STATKU „HORYZONT II” W PROGRAMIE PSCAD
Wstępny model okrętowej sieci elektroenergetycznej statku m/v „Horyzont II” wykonano w programie PSCAD wersji X4. W symulacji skoncentrowano się na zamodelowaniu trzech jednakowych zespołów prądotwórczych pracujących na wspólne szyny. W skład pojedynczego agregatu wchodzi prądnica synchroniczna o mocy znamionowej 301 kW, 376 kVA oraz czterosuwowy silnik diesla o mocy znamionowej 357 kW. Na rysunku 2 przedstawiono model trzech jednakowych prądnic załączonych na szyny rozdzielnicy głównej. Obciążenie stanowią dwa odbiorniki: jeden liniowy rezystancyjno-indukcyjny o parametrach R = 5 Ω i L = = 0,127 H, zaś drugi odbiornik nieliniowy dużej mocy (dławik).
Generator1 A1 A2 A3 C B A Gen1_brk Gen_1 Gen1_brk Generator2 A2 B2 C2 Gen_2 Gen2_brk C B A Gen2_brk Generator3 A3 B3 C3 0.127 [H] 5 [ ohm] 5 [ ohm] 5 [ ohm] Gen_3 Gen3_brk C B A Gen3_brk
SZYNY GŁÓWNE ROZDZIELNICY L1 L2 L 3 C B A BRK Iaa Eab 0.127 [H] 0.127 [H] Odb_nieliniowy BRK Wylacznik Gen_1 Gen_1 1 OFF ON Wylacznik Gen_2 Gen_2 1 OFF ON Wylacznik Gen_3 Gen_3 1 OFF ON Odb_nieliniowy Odb_nieliniowy 1 OFF ON
Rys. 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa odbiornika nieliniowego obciążającego prądnice symulowanego systemu elektroenergetycznego
Fig. 2. Current-voltage characteristics of non-linear loads simulated loading generators of the power system
W programie możliwy jest wybór odpowiedniej liczby załączonych agregatów prądotwórczych w zależności od liczby załączonych odbiorników w dowolnej chwili, poprzez ustawienie przełącznika Gen_1, Gen_2 lub Gen_3 w odpowiedniej pozycji. Możliwe jest również załączenie i wyłączenie w dowolnej chwili odbior-nika nieliniowego, zaś odbiornik o liniowej charakterystyce jest dołączony na stałe.
Na rysunku 3 przedstawiono model czterosuwowego silnika diesla wraz z re-gulatorem prędkości obrotowej [2]. Sygnałami wejściowymi do regulatora prędko-ści obrotowej są rzeczywista prędkość obrotowa pochodząca z wału prądnicy oraz zadana prędkość obrotowa. Sygnały te poprzez odpowiednie transmitancje prze-kształcane są na dawkę paliwa, która podawana jest na wejście FL (Fuel Intake) w modelu silnika diesla (IC Engine). Do utrzymania stałej prędkości obrotowej wykorzystano regulator proporcjonalno-całkujący PI. Sygnałem wyjściowym z silnika jest moment mechaniczny Tm1, przekazywany na wejście synchronicznej
prądnicy prądu przemiennego.
w Tm IC Engine FL Predkosc zadana a * 1 N D N/D 314.1593 D -F + SP EE D 1 wref Tm1 -sT e FL FL W1 G 1 + sT * 10 I P
Rys. 3. Model czterosuwowego silnika diesla wraz z regulatorem prędkości obrotowej [2] Fig. 3. Model of a four-stroke diesel engine with the speed governor
Model prądnicy synchronicznej wraz z regulatorem napięcia przedstawiono na rysunku 4 [7]. Do prądnicy dołączono regulator napięcia (Exciter_(AC5A)), służący do utrzymania stałej wartości skutecznej napięcia na szynach głównych rozdzielnicy. Poprzez blok Table, który połączony jest z regulatorem napięcia, realizowany jest rozpływ mocy biernej pomiędzy załączone jednocześnie na szyny główne prądnice synchroniczne.
A1 A2 A3 Ea1 ia1 IF1 A B C S If Ef Te A V Tm Ef0 Tm w Uf1 Eb1 Ec1 Uavr1 VT IT 3 If Ef Ef0 Vref Exciter _(AC5A) Tei1 Table QOUT1 Uavr1
Rys. 4. Model trójfazowej prądnicy synchronicznej prądu przemiennego wraz z regulatorem napięcia [7]
Fig. 4. Model the three-phase synchronous AC generator with voltage regulator
3. WSTĘPNA WERYFIKACJA SYMULACYJNA SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO STATKU „HORYZONT II”
Wstępną weryfikację symulowanego systemu elektroenergetycznego statku m/v „Horyzont II” przeprowadzono w stanie zarówno statycznym, jak i dynamicz-nym. Na rysunku 5 przedstawiono przebiegi chwilowe napięć symulowanych na szynach głównych rozdzielnicy. Przy załączeniu odbiornika liniowego rezystan-cyjno-indukcyjnego napięcie ma przebieg sinusoidalny. Po załączeniu dodatkowo odbiornika nieliniowego przebieg napięcia zasilającego zostaje zniekształcony.
a) t [s] -600 3.980 4.000 4.020 4.040 4.060 4.080 -400 -200 0 200 400 600 e_ ab [ V]
e_ab Napięcie chwilowe e_ab (t)
b) t [s] 11.060 11.080 11.100 11.120 11.140 -600 -400 -200 0 200 400 600 e_ ab [ V]
e_ab Napięcie chwilowe e_ab (t)
Rys. 5. Przebiegi chwilowe napięcia symulowane na szynach głównych rozdzielnicy: a) załączony odbiornik liniowy, b) załączony odbiornik nieliniowy
Fig. 5. Waveforms of voltage rails simulated on the main switchboard: a) a linear receiver attached, b) a non-linear receiver attached
W przypadku prądów symulowanych pobieranych z prądnicy można zauwa-żyć podobną tendencję jak przy napięciach chwilowych. Przy załączeniu odbiorni-ka liniowego prąd płynący przez odbiornik ma przebieg sinusoidalny. Po załącze-niu odbiornika nieliniowego, przebieg prądu zostaje zniekształcony (rys. 6).
a) t [s ] 3.980 3.990 4.000 4.010 4.020 4.030 4.040 4.050 4.060 4.070 -10.0 -8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 i _aa i_ aa [ A ]
Prąd chwilowy fazy i_a(t)
b) t [s] 11.060 11.070 11.080 11.090 11.100 11.110 11.120 11.130 11.140 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 i_aa i_ aa [A ]
Prąd chwilowy fazy i_a(t)
Rys. 6. Przebiegi chwilowe prądu symulowane na szynach głównych rozdzielnicy a) załączony odbiornik liniowy, b) załączony odbiornik nieliniowy
Fig. 6. Waveforms of current simulated on the rails of the main switchboard: a) a linear receiver attached, b) a non-linear receiver attached
Wartość skuteczna napięcia symulowana na szynach głównych rozdzielnicy (rys. 7) utrzymywana jest za pomocą regulatora napięcia na poziomie 397,7 V. Po załączeniu odbiornika nieliniowego dużej mocy napięcie osiąga wartość mini-malną 393,6 V i po czasie regulacji 2,97 s przyjmuje wartość ustaloną. Na rysunku 8 przedstawiono przebieg wartości skutecznej prądu pobieranego przez odbiorniki. Po zwiększeniu stałej czasowej regulatora napięcia następuje wydłużenie czasu regulacji wartości skutecznej napięcia.
t [s] 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 392.0 394.0 396.0 398.0 400.0 402.0 404.0 406.0 Ea b_ rm s [ V] Eab_rms Załączenie odbiornika nieliniowego
Napięcie międzyfazowe Eab _rms
Rys. 7. Wartość skuteczna napięcia symulowana na szynach głównych rozdzielnicy Fig. 7. The RMS voltage simulated on the rails of the main switchboard
t [s] 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15 .0 17.5 20.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 Ia a_ rm s [ A] Ia_rms Załączenie odbiornika nieliniowego
Wartość skuteczna prądu
Rys. 8. Wartość skuteczna prądu symulowana na szynach głównych rozdzielnicy Fig. 8. RMS current simulated on the rails of the main switchboard
Na rysunkach 9 i 10 przedstawiono przebiegi chwilowe napięcia i prądu za-symulowane na szynach głównych rozdzielnicy. Przebieg napięcia praktycznie zachowuje stałą amplitudę przez całą symulację, tylko w momencie załączenia odbiornika nieliniowego następuje niewielkie zniekształcenie. Natomiast przebieg chwilowy prądu zachowuje stałą amplitudę podczas obciążenia prądnicy odbiorni-kiem liniowym o niewielkim obciążeniu. Po załączeniu odbiornika nieliniowego dużej mocy uwidacznia się stan nieustalony przebiegu prądu.
t [s]- 600 2. 0 4. 0 6. 0 8. 0 10. 0 12. 0 14. 0 - 400 - 200 0 200 400 600 e_ ab [V ] e_ab
Napięcie chwilowe e _ab (t)
Rys. 9. Przebieg napięcia chwilowego symulowanego na szynach głównych rozdzielnicy Fig. 9. The simulated voltage on the rails of the main switchboard
t [s] 2.0 4.0 6.0 8 .0 10.0 12.0 14 .0 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 iaa [ A] i_aa
Prąd chwilowy fazy i_a(t)
Rys. 10. Przebieg napięcia chwilowego symulowanego na szynach głównych rozdzielnicy Fig. 10. Voltage simulated on the rails of the main switchboard
PODSUMOWANIE
W artykule przedstawiono model części okrętowego systemu elektroenerge-tycznego statku „Horyzont II” zrealizowanego w programie PSCAD. Prezentowa-ne przebiegi chwilowe oraz wartości skuteczPrezentowa-ne parametrów ePrezentowa-nergii elektryczPrezentowa-nej wykazują przydatność wykorzystania programu PSCAD do modelowania elektro-energetycznej sieci okrętowej. Wydaje się, że wstępna weryfikacja modelu w sta-nie ustalonym jest zgodna z oczekiwaniami. Przebiegi chwilowe prądów i napięć, jak również ich wartości skuteczne są wielkościami, które można w rzeczywistości zaobserwować na statkach morskich. W przyszłości planowane jest
przeprowadze-nie rzeczywistych pomiarów parametrów energii elektrycznej na statku m/v „Horyzont II” i porównanie ich z prezentowanym modelem. Wiąże się to z potrze-bą stworzenia modelu najważniejszych odbiorników zainstalowanych na statku. Przedstawione na rysunku 5 przebiegi chwilowe napięć dowodzą, że załączenie nieliniowego obciążenia na źródło napięcia, jakim jest prądnica synchroniczna o danych parametrach, powoduje odkształcenie przebiegu napięcia zasilającego odbiornik. Czas regulacji oraz zmiany wartości skutecznych napięć mieszczą się w normach Polskiego Rejestru Statków.
Artykuł przygotowano w ramach projektu DEC-2012/07/E/ST8/01688.
LITERATURA
1. Arendt R., Simulation investigations of ship power systems, Environment and Electrical Engineering, EEEIC 2011.
2. Friedel V., Modeling and Simulations of a Fybrid Wind-Diesel Microgrid, Royal Institut of Technology, Stockholm, Sweden, June 2009.
3. Prousalidis J., Muthumumi D., Power quality on electric ship, Flux Magazine, June 2006.
4. Simoes M.G, Palle B., Chakraborty S., Electrical Model Development and Validation for Distributed Resources, Colorado 2007.
5. Swarn S. Kalasi, Nayak O., Ship Electrical System Simulation, Electrical Schip Technologies symposium, IEEE, 2005.
6. Tarasiuk T., Mindykowski J., Weryfikacja doświadczalna analizatora jakości energii elektrycznej na statku m/s Horyzont II, PAK 2003.
7. The Electromagnetic Transients and Controls Simulation Engine, Monitoba HVDC 2010.
A MODEL OF POWER STATION OF M/V „HORYZONT II” CREATED IN THE PSCAD
Summary
In the paper presents a model of ship electricity grid made in the PSCAD X4. The object which was simulated is a school and research vessel „Horyzont II”. Synchronous generators with voltage regu-lators and driving diesel engines are modeled. The waveforms of current and voltage during the switching on and off the receiver (with linear and non-linear current-voltage characteristics) are shown.
